ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….......... 4 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ………………………………….............. 9 1.1. Щелочные экосистемы...…………………….............................. 9 1.1.1. Типы содовых озёр…………………………………............................. 9 1.1.2. Механизм формирования содово-соленых озёр……………………. 11 1.1.3. Формирование озёр в пустыне Бадаин Жаран………………………. 12 1.1.4. Характеристика и распределение современных содовых озёр…………………………………...………………………………............. 14 1.2. Алкалофильное и галофильное микробное сообщество………………… 17 1.2.1. Функциональное разнообразие алкалофильного и галофильного микробного сообщества…………………………….……………………… 18 1.2.2. Роль микробных сообществ в биогеохимических циклах………………………………………………………………………… 22 1.2.3. Распространение бактерий в содовых и соленых озёрах Монгольского плато………………………………….................................... 27 1.2.4. Механизм адаптации алкалофильных и галофильных бактерий к высокой щелочности и солености………………………………………… 32 1.2.5. Применение алкалофильных и галофильных гидролитических бактерий в биотехнологическом производстве…………………………. 35 1.3. Протеолитические ферменты. Классификация…………………………. 41 1.3.1. Физиологические функции внеклеточных протеолитических ферментов алкалофильных и галофильных бактерий…………………… 45 1.3.2. Микробные аминопептидазы. Применение…………………........... 48 1.4. Заключение к литературному обзору………………………………........... 50 ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования………………………………. 52 2.1. Объекты исследования…………………………………............................... 52 2.2. Методы исследования…………………………………............................... 54 2.2.1. Отбор проб…………………………………........................................ 54 2 2.2.2. Физико-химические и гидрохимические методы исследования…. 56 2.2.3. Методы молекулярно-генетического анализа…………………….. 56 2.2.4. Методы учёта численности и выделения чистых культур из содово-соленых озёр………………………………………………… 57 2.2.5. Метод элементного анализа CHN…………………………………… 58 2.2.5. Изучение эколого-физиологических свойств чистых культур….... 58 2.2.6. Методы определение внеклеточной протеолитической активности……………………………………………………………..……. 59 2.2.7. Статистическая обработка данных……………………………....…. 63 ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ……………………..……… 64 3.1. Характеристика экологических условий среды обитания микроорганизмов…..………………...…………………………………............. 64 3.2. Таксономическое разнообразие микробных сообществ в различных биотопах………………………………………………………….......................... 68 3.2.1. Влияние экологических факторов на формирование микробных сообществ в различных биотопах………………………………..………... 71 3.3. Элементный состав CHN в нативных пробах и внеклеточная протеолитическая активность ………………………………………….………. 84 3.4. Эколого-физиологическая характеристика протеолитических бактерий …..…………………………………........................................................................ 88 3.5. Внеклеточная протеолитическая активность чистых культур и их функциональгная роль……………………………….……………………......... 101 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………...…………………………… 108 ВЫВОДЫ…………………………………...…………………………………... 110 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………............................. 111 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ……………………………………………………………… 137 3 ВВЕДЕНИЕ Содово-солёные озёра являются удобной моделью для изучения микробной экологии галоалкалофильных бактерий в природных экстремальных местах обитания и являются объектом интенсивных исследований (Sorokin et al., 2015; Grant et al., 2016; Kulkarni et al., 2019). Это связано с выяснением роли микроорганизмов в функционировании данных экстремальных мест обитания, открытием новых видов галофильных и алкалофильных представителей микробного сообщества, а также с возможностью использования ферментов и других метаболитов этих микроорганизмов в различного рода биотехнологических производствах (Casamayor, 2013; Parmar et al., 2014; Kumar et al., 2015; Malekabadi et al., 2017; Sorokin et al., 2017; Karray et al., 2018; Kevbrin, 2019). В микробном сообществе гидролитические бактерии являются инициаторами процесса деструкции органического вещества в природных местообитаниях. В составе органического вещества одним из основных компонентов является белок, разложение которого осуществляется пептидазами протеолитических бактерий. Процесс деструкции белка ферментами имеет важное биологическое значение, так как играет регулирующую роль в функционировании как клетки, так и экосистемы в целом (Boltyanskaya et al., 2016; Ruvindy et al., 2016; Vavourakis et al., 2016; Boltyanskaya et al., 2018). В пустыне Бадаин Жаран расположено более 100 малоизученных трудноступных содово-соленых озёр, различающихся по минерализации, рН и химическому составу. В настоящий момент исследования по изучению разнообразия микробных сообществ в этих содово-соленых озёрах проведены эпизодически (Li et al., 2015; Banda et al., 2019). Также определение метаболических свойств и оценка биотехнологического потенциала микроорганизмов, выделенных из данных экосистем, ранее не проводились. Это делает актуальным проведение новых исследований, связанных с изучением 4 распространения, разнообразия и функциональной активности протеолитических бактерий в микробных сообществах экстремальных водных систем. Цель работы: установить разнообразие галоалкалофильного микробного сообщества и функциональную активность протеолитических бактерий в содово- соленых озёрах пустыни Бадаин Жаран. Основные задачи исследования: 1. Определить экологические условия, влияющие на формирование состава экстремальных микробных сообществ в содово-соленых озёрах пустыни Бадаин Жаран; 2. Выявить таксономическую структуру микробного сообщества. Установить влияние солености на формирование состава основных доминирующих групп прокариот с помощью метода секвенирования фрагментов гена 16S рРНК; 3. Определить филогенетическую принадлежность чистых культур протеолитических бактерий и охарактеризовать эколого-физиологические свойства; 4. Установить диапазон функционирования ферментов (рН, температура и солёность) и определить функциональную роль галоалкалофильных пептидаз в деструкции органического вещества. Научная новизна работы. Впервые дана характеристика таксономического разнообразия микробных сообществ различных экотопов в содово-соленых озёрах пустыни Бадаин Жаран (Китай) методом высокопроизводительного секвенирования по гену 16S рРНК. Впервые охарактеризованы протеолитические галоалкалофильные бактерии из содово-соленых озёр пустыни Бадаин Жаран. По эколого-физиологическим свойствам выделенные бактерии относятся к алкалофилам и облигатным алкалофилам, оптимум рН роста которых находится в пределах 8 – 10 с диапазоном роста 7 - 10,5. По отношению к NaCl бактерии проявили свойства облигатных и экстремальных галофилов с диапазоном роста от 20 до 300 г/л. Впервые дана характеристика протеолитических ферментов у выделенных галоалкалофильных чистых культур на различных пара-нитроанилидных 5 субстратах. Получены препараты пептидаз и охарактеризованы их физико- химические свойства. Показано, что щелочные пептидазы бактерий выдерживают Солёность до 200 г/л и рН до 10,5. Связь работы с научными программами. Работа выполнена в рамках темы госзадания № госрегистрации АААА-А17- 117011810034-9, и при финансовой поддержке гранта Министерства образования и науки РФ № 6.9754.2017/БЧ. Теоретическая и практическая значимость полученных результатов. Полученные данные расширяют представления о разнообразии микробных сообществ в содово-соленых озёрах. Выделенные штаммы бактерий обладают высокой рН и галостабильностью пептидаз. Установлено, что штамм Halomonas mongoliensis - активный продуцент металлопептидаз, является устойчивым к воздействию детергентов (SDS, Triton X -100 и H2O2). Получены и охарактеризованы 3 лабораторных ферментных препарата. Результаты исследований используются в учебном процессе при изучении экологии, микробиологии в высших учебных заведениях и подготовке учебно- методических пособий. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Распределение доминирующих таксонов зависит от конкретных экологических условий (солёность, гидрохимические условия и др.). В биотопах с солёностью до 200 г/л доминируют бактерии филумов Proteobacteria и Cyanobacteria, с увеличением солености до 277 г/л обнаружена высокая доля бактерий филума Bacteroidetes, при минерализации до 495 г/л преобладают экстремально галофильные археи филума Euryarchaeota. 2. Протеолитические бактерии семейства Bacillaceae и Halomonadaceae принимают участие в деструкции органических соединений в местах обитания за счет активного синтеза галоалкалофильных пептидаз. Активность и стабильность пептидаз изученных бактерий позволяют установить границы приспособляемости и функционирования прокариотной клетки в экстремальных условиях среды обитания. 6 Апробация работы. Результаты исследований были доложены и обсуждены на конференциях: III Пущинская школа – конференция «Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов» (Пущино, 2016), II Всероссийская конференция с международным участием «Высокопроизводительное секвенирование в геномике» (Новосибирск, 2017), 13th International Conference on Salt Lake Research (Улан-Удэ, 2017). По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК для публикации материалов кандидатских диссертаций. Личный вклад. Автор принимал участие в экспериментальной работе, обработке и обсуждении результатов. Все результаты за исключением химического анализа воды и проведения секвенирования получены автором. Автор проанализировал литературу по теме диссертационной работы, провел статистическую обработку, участвовал в подготовке